謝聰

（湖南國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南省湘潭市 411207）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于一種融合性技術(shù)，其是對(duì)信息處理技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的融合，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境、空間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)，同時(shí)也能夠完成數(shù)據(jù)信息收集、節(jié)點(diǎn)定位等任務(wù)，目前已在多個(gè)領(lǐng)域中廣泛推廣及應(yīng)用，包括軍事領(lǐng)域、交通領(lǐng)域等。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

相關(guān)研究人員在對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究的過(guò)程中，依據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)能夠分成較多類別。將測(cè)量的數(shù)據(jù)信息當(dāng)做依據(jù)，能夠?qū)y(cè)量的數(shù)據(jù)信息分成：測(cè)距定位以及非測(cè)距定位。

1.1 測(cè)距定位技術(shù)

可以將該技術(shù)細(xì)致地劃分，依照時(shí)間需要?jiǎng)澐殖桑篢OA--信號(hào)傳輸時(shí)間模式與TDOA--信號(hào)傳輸時(shí)間差模式。TOA 模式關(guān)鍵是依照信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳播距離的精準(zhǔn)測(cè)定，并據(jù)此進(jìn)行準(zhǔn)確定位。同時(shí)，該種模式也被劃分為不同的算法，即單程測(cè)距、雙程測(cè)距[1]。對(duì)于前者，各個(gè)節(jié)點(diǎn)需要保障時(shí)間具有較高的同步性，一旦不能同步，那么則會(huì)導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確；對(duì)于后者，其并不會(huì)受到時(shí)間是否同步的影響，即使在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上有差異，也能夠?qū)崿F(xiàn)最終的準(zhǔn)確定位目標(biāo)，但是，要保證本地的時(shí)間足夠精準(zhǔn)，若是本地的時(shí)間出現(xiàn)錯(cuò)誤，將會(huì)對(duì)差距精準(zhǔn)性影響，導(dǎo)致定位結(jié)構(gòu)不夠精準(zhǔn)，影響到工作后續(xù)的推進(jìn)。

TDOA 模式作為TOA 模式的革新與升級(jí)，其是對(duì)現(xiàn)代技術(shù)的充分利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確接收和傳送，而在此過(guò)程中，通過(guò)對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間信號(hào)時(shí)間差的測(cè)量，即可完成對(duì)節(jié)點(diǎn)間距進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，從而保障定位的精準(zhǔn)度與高效性。加之，還有運(yùn)用達(dá)到的角度對(duì)測(cè)距精準(zhǔn)地定位類AOA 技術(shù)--到達(dá)角度測(cè)距技術(shù)。但是需要注意，在對(duì)AOA 技術(shù)進(jìn)行利用的過(guò)程中，需要技術(shù)人員能夠依據(jù)陣列天線將未知的錨節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)夾角等相關(guān)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)地測(cè)量出，而后在開(kāi)展精準(zhǔn)測(cè)距。

但是陣列的天線在施工與建設(shè)的時(shí)候所需投入的成本相對(duì)較高，與此同時(shí)，在運(yùn)用內(nèi)信號(hào)數(shù)據(jù)傳播將會(huì)被電磁波以及非視距各類因素共同干擾，導(dǎo)致最終測(cè)量的結(jié)果并不是很準(zhǔn)[2]。另外，在使用相關(guān)測(cè)距定位技術(shù)時(shí)，需要相關(guān)測(cè)量人員能夠重視節(jié)點(diǎn)具體坐標(biāo)的計(jì)算，以此確保定位精準(zhǔn)。最后，在對(duì)未知性錨點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間角度數(shù)據(jù)信息與距離數(shù)據(jù)獲得之后，可運(yùn)用的計(jì)算坐標(biāo)方式包含：

1.1.1 三邊定位方式

在采用該種方式進(jìn)行定位的過(guò)程中，對(duì)未知階段的要求相對(duì)較高，需要知道其四周已有具有坐標(biāo)的三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員通過(guò)對(duì)距離與坐標(biāo)之間的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)具體坐標(biāo)的準(zhǔn)確計(jì)算，以便于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)地定位。該類方式對(duì)測(cè)量距離精準(zhǔn)度需求不高，技術(shù)工作人員所示測(cè)量不夠精準(zhǔn)也不會(huì)導(dǎo)致定位精準(zhǔn)度出現(xiàn)誤差與下降狀況。

如圖1 所示，已知A、B、C 三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），以及它們到未知節(jié)點(diǎn)D 的距離分別為da，db，dc，假設(shè)節(jié)點(diǎn)D 的坐標(biāo)為（x，y）。

圖1：三邊測(cè)量法示意圖

圖2：三角測(cè)量法示意圖

1.1.2 三角定位方式

該種方式于AOA技術(shù)內(nèi)依據(jù)對(duì)有關(guān)角度數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知性節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的確定。同時(shí)，該種技術(shù)對(duì)未知階段的要求也比較高，需要至少三個(gè)已知坐標(biāo)的錨節(jié)點(diǎn)，除此以外還需要其中的任意兩個(gè)都可以與未知性節(jié)點(diǎn)共同確定出一個(gè)圓，從而獲得三個(gè)圓。而后運(yùn)用已知的角度與坐標(biāo)，將三個(gè)圓中圓心位置與半徑數(shù)據(jù)進(jìn)行獲得。再把其轉(zhuǎn)變成三邊定位，最后運(yùn)用三邊定位模式，將未知的各個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)精準(zhǔn)求出，進(jìn)一步的進(jìn)行定位。

如圖2 所示，已知A、B、C 三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（xa，ya）、（xb，yb）、（xc，yc），節(jié)點(diǎn)D 相對(duì)于節(jié)點(diǎn)A、B、C 的角度分別為：∠ADB，∠ADC，∠BDC，假設(shè)節(jié)點(diǎn)D 的坐標(biāo)為（x，y）。對(duì)于節(jié)點(diǎn)A 和C 以及∠ADC，如果AC 在△ABC 內(nèi)，則唯一能夠確定一個(gè)圓，設(shè)圓心為O1（xo1，yo1），半徑為r1，則α=∠AO1C=（2π—2∠ADC）。

1.1.3 多邊定位方式

縱然運(yùn)用三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)就能夠?qū)⑽粗母鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)計(jì)算出，已達(dá)到地位的目的。但，若是可以對(duì)未知的各個(gè)節(jié)點(diǎn)四周眾多錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)確定，就可以提升計(jì)算的精準(zhǔn)度，提升定位的高效性與精準(zhǔn)性，這就是多變定位的具體思路。

1.2 非測(cè)距定位技術(shù)

該種技術(shù)主要是一類不需要對(duì)開(kāi)展節(jié)點(diǎn)之間距離或角度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，即可在知道錨節(jié)點(diǎn)的有關(guān)信息與網(wǎng)絡(luò)所具有的連通性質(zhì)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)位置準(zhǔn)確估測(cè)的目標(biāo)。目前，在對(duì)該技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中，較為常見(jiàn)的有以下幾種：

1.2.1 質(zhì)心定位技術(shù)

該類技術(shù)能夠顯著的降低無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位過(guò)程中所需要投入的成本，只要在網(wǎng)絡(luò)連通的狀態(tài)下，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位目標(biāo)。技術(shù)人員在采用該技術(shù)進(jìn)行定位時(shí)，可分成三步實(shí)現(xiàn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位：

（1）對(duì)錨節(jié)點(diǎn)的特性進(jìn)行利用，這些錨節(jié)點(diǎn)會(huì)向與其相聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)傳送信息數(shù)據(jù)集合，其中就包括自身的坐標(biāo)。

（2）未知節(jié)點(diǎn)在接收到相應(yīng)信息數(shù)據(jù)后，會(huì)遵循自身的閾值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和判斷，并將有效數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)地記錄下。

（3）各個(gè)未知的節(jié)點(diǎn)估值坐標(biāo)作為他臨近錨點(diǎn)所形成二維圖形的中心。

除此以外，在此過(guò)程中，如果各錨節(jié)點(diǎn)的分布相對(duì)規(guī)律，那么將會(huì)大大提升對(duì)未知節(jié)點(diǎn)定位的準(zhǔn)確度。

1.2.2 DV-hop 定位技術(shù)

對(duì)于該種技術(shù)，主要是對(duì)通信跳數(shù)的充分利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。所以，該種定位技術(shù)較為方便，只需要技術(shù)人員能夠?qū)⑾嚓P(guān)通信跳數(shù)準(zhǔn)確記錄下來(lái)即可。不過(guò)，也需要技術(shù)人員注意一些問(wèn)題，采用該種技術(shù)并不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)眾多錨節(jié)點(diǎn)在分布不夠均勻狀況下，加之，對(duì)邊界的各個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)用效果更是不是非常地理想。該種定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)歷以下幾個(gè)步驟：

（1）全部節(jié)點(diǎn)于通信的范圍之中往其他的節(jié)點(diǎn)中精準(zhǔn)地將自身坐標(biāo)、標(biāo)號(hào)發(fā)送出，將兩節(jié)點(diǎn)間跳數(shù)數(shù)據(jù)信息發(fā)送出。各個(gè)節(jié)點(diǎn)所接收到的數(shù)據(jù)信息之后，將會(huì)把自身拋出，并且會(huì)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)中的信息進(jìn)行有效儲(chǔ)存。

（2）通過(guò)對(duì)所儲(chǔ)存的信息進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確地將各錨節(jié)點(diǎn)之間距離計(jì)算出來(lái)。

（3）利用節(jié)點(diǎn)之間所存在的最小跳數(shù)，即可完成對(duì)每跳間平均距離的準(zhǔn)確計(jì)算。

（4）相關(guān)技術(shù)人員通過(guò)上述操作，即可完成對(duì)未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)間距的準(zhǔn)確計(jì)算目的，確保未知節(jié)點(diǎn)計(jì)算的精準(zhǔn)性。

1.2.3 APIT 定位技術(shù)

該種技術(shù)還有另一個(gè)名字，即近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試方法。在采用該種技術(shù)方式進(jìn)行未知節(jié)點(diǎn)定位時(shí)，主要是讓錨節(jié)點(diǎn)將有效地?cái)?shù)據(jù)信息傳遞到周圍未知節(jié)點(diǎn)中；其次，對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理，將與未知節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)并不大的錨節(jié)點(diǎn)剔除掉，使得定位范圍變??；最后，當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到一定數(shù)量的信息數(shù)據(jù)后，關(guān)聯(lián)大的各錨節(jié)點(diǎn)會(huì)形成多個(gè)三角形區(qū)域。

經(jīng)過(guò)上述一系列處理后，相關(guān)技術(shù)人員可準(zhǔn)確判斷出未知節(jié)點(diǎn)是否處于其中，并據(jù)此找到準(zhǔn)確位置。

2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)性能評(píng)價(jià)

相關(guān)技術(shù)人員在進(jìn)行定位的過(guò)程中，所采用的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)不計(jì)其數(shù)，不過(guò)都是依照定位的具體需求與實(shí)際狀況和條件，對(duì)技術(shù)具體運(yùn)用性能精準(zhǔn)評(píng)價(jià)，從而選取出最佳的、最適用的定位技術(shù)。在對(duì)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的環(huán)節(jié)中，需要依照下面幾點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)：

2.1 精準(zhǔn)度

關(guān)于該標(biāo)準(zhǔn)，可以說(shuō)是對(duì)該種定位技術(shù)性能評(píng)價(jià)的黃金指標(biāo)，如果所采用的技術(shù)無(wú)法滿足該標(biāo)準(zhǔn)，那么就算能夠滿足其他的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，也失去了“定位”的真正意義。

除此以外，在驗(yàn)證所用技術(shù)是否滿足該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，主要是對(duì)誤差具體數(shù)值與節(jié)點(diǎn)無(wú)線射程之間的比例進(jìn)行確定。

2.2 規(guī)模

該種技術(shù)在節(jié)點(diǎn)時(shí)間中可以對(duì)一定范圍中幾個(gè)目標(biāo)實(shí)施定位，也是性能評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵性性能數(shù)據(jù)指標(biāo)，需要依據(jù)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)定位的精準(zhǔn)需求，選擇最終的規(guī)模。

2.3 錨節(jié)點(diǎn)密度

在對(duì)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)，錨節(jié)點(diǎn)是必不可少的因素，輔以GPS 定位或人工定位實(shí)現(xiàn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的定位目標(biāo)。

人工定位會(huì)被網(wǎng)絡(luò)環(huán)境所影響，導(dǎo)致其可擴(kuò)展的能力顯著降低。但是GPS 定位將會(huì)大幅度地提升網(wǎng)絡(luò)使用價(jià)值，會(huì)對(duì)錨節(jié)點(diǎn)密度影響，這就需要技術(shù)工作人員依照具體需求進(jìn)行抉擇。

2.4 節(jié)點(diǎn)密度

節(jié)點(diǎn)密度數(shù)據(jù)指標(biāo)將會(huì)對(duì)較多定位模式有影響，提升節(jié)點(diǎn)的數(shù)量不但會(huì)將網(wǎng)絡(luò)部署投入費(fèi)用提高，還可能會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)之間的通信量大，導(dǎo)致出現(xiàn)通信沖突，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)阻塞。對(duì)此，在對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行選擇的時(shí)候，需要依據(jù)實(shí)際需求，對(duì)節(jié)點(diǎn)密度進(jìn)行確定，并據(jù)此合理選擇定位技術(shù)。

2.5 容錯(cuò)與自適應(yīng)

在開(kāi)展定位工作的過(guò)程中，所采用技術(shù)中的算法與定位系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)因素也有一定要求，尤其是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備，以及無(wú)線通信環(huán)境。另外，還需要注意，在實(shí)際定位的過(guò)程中，所處環(huán)境并不樂(lè)觀，有較多的影響性因素，導(dǎo)致定位出現(xiàn)誤差，造成設(shè)備出現(xiàn)失效狀況，而且在環(huán)境與能耗等眾多因素的影響下，替換與維護(hù)將難以繼續(xù)。這就需要技術(shù)工作人員在對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行選取的時(shí)候，需要對(duì)所運(yùn)用的硬件與軟件進(jìn)行選擇，確保硬件與軟件容錯(cuò)性與自適應(yīng)性，從而提升其環(huán)境使用能力、自動(dòng)調(diào)整能力與重構(gòu)與糾錯(cuò)力，確保精準(zhǔn)度可以提升。

2.6 功耗

在進(jìn)行定位的過(guò)程中，所用傳感器的節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行時(shí)，也是需要消耗一定能量的，所以還需要注意“功耗”這一標(biāo)準(zhǔn)。因此，為了有效解決電池能量有限這一問(wèn)題，需要在保障其精準(zhǔn)程度的狀況下，不斷加強(qiáng)對(duì)低功耗技術(shù)的研究。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

上述對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，下面以軍事領(lǐng)域?qū)υ摷夹g(shù)的實(shí)際應(yīng)用為例，對(duì)其進(jìn)行再度說(shuō)明：

3.1 智能塵埃

其屬于軍事上對(duì)該技術(shù)應(yīng)用的主要儀器，是一個(gè)集數(shù)據(jù)收集、定位和信息傳遞等功能于一身的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。將其應(yīng)用于實(shí)際軍事中，能夠完成對(duì)特定目標(biāo)的準(zhǔn)確定位，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

3.2 SSW系統(tǒng)

對(duì)于該系統(tǒng)，其屬于全新類的傳感器網(wǎng)絡(luò)。這一系統(tǒng)做功的基礎(chǔ)思路為：在實(shí)際應(yīng)用中，將諸多傳感器放置到戰(zhàn)場(chǎng)中，據(jù)此完成數(shù)據(jù)收集、定位等任務(wù)。最后，由該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際場(chǎng)景的繪制，方便參戰(zhàn)人員對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知能力。

3.3 目標(biāo)定位

該種方式主要是采用微型傳感器，通過(guò)對(duì)音頻數(shù)據(jù)信息的收集，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。但是需要注意，在三維空間內(nèi)，可能會(huì)有延遲，所以需要對(duì)延遲進(jìn)行控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大力發(fā)展的背景下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，并在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，有效彌補(bǔ)了網(wǎng)絡(luò)在各領(lǐng)域應(yīng)用中的不足和缺陷。但是需要注意，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)在不同領(lǐng)域、場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)，需要相關(guān)技術(shù)人員能夠?qū)?jié)點(diǎn)的規(guī)模、成本及系統(tǒng)、定位精度等需求進(jìn)行綜合考慮，并做好相應(yīng)設(shè)計(jì)，以此確保無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值得到充分體現(xiàn)。